董磊，向晨陽，趙長(zhǎng)嘯,*，黨香俊，史春蕾

1. 中國(guó)民航大學(xué) 民航航空器適航審定技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300

2. 中國(guó)民航大學(xué) 天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300

3. 中國(guó)民航大學(xué) 適航學(xué)院，天津 300300

觸控顯示屏已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類電子設(shè)備以及生產(chǎn)設(shè)備的控制終端，將觸控顯示屏引入民機(jī)駕駛艙已成為未來民機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)[1-3]。歐盟FP7框架下的ACROSS(Advanced Cockpit for Reduction of Stress and Workload)研究項(xiàng)目[3-5]指出民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)的三大主要特征：顯示控制的一體化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的高度集成以及直觀的手勢(shì)控制方式。民機(jī)駕駛艙觸控技術(shù)的引入，一方面可以降低飛行機(jī)組的工作負(fù)荷，另一方面，可以減少駕駛艙控制面板物理硬件設(shè)備的配置，節(jié)省駕駛艙空間，減輕飛機(jī)重量，降低運(yùn)營(yíng)成本。

觸控技術(shù)現(xiàn)已逐步引入民機(jī)駕駛艙中，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界針對(duì)民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)應(yīng)用研究，但要充分發(fā)揮觸控顯示屏在民機(jī)駕駛艙中的優(yōu)勢(shì)，仍面臨著諸多挑戰(zhàn)[6]。從工業(yè)設(shè)計(jì)方的角度，根據(jù)SAE ARP60494[7]，民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)的集成和研制應(yīng)當(dāng)遵循以人為中心的設(shè)計(jì)原則，人機(jī)工效設(shè)計(jì)應(yīng)貫穿顯示觸控系統(tǒng)研制生命周期，主要包括人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)、觸控反饋設(shè)計(jì)、機(jī)組差錯(cuò)管理以及機(jī)組工作負(fù)荷評(píng)估等。因此，為保證機(jī)組飛行安全，有必要進(jìn)行人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)，同時(shí)考慮到后續(xù)顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的完備性，指標(biāo)體系的建立應(yīng)當(dāng)考慮民機(jī)駕駛艙觸控技術(shù)當(dāng)前的應(yīng)用情況和技術(shù)難點(diǎn)，有必要對(duì)民機(jī)駕駛艙觸控技術(shù)的應(yīng)用情況及技術(shù)實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。首先飛機(jī)在飛行過程中經(jīng)常遇到湍流，伴隨的振動(dòng)和顛簸，必然導(dǎo)致觸控效率降低，同時(shí)觸控顯示屏的誤觸和意外激活更易發(fā)生，然而目前還沒有能夠有效預(yù)防上述誤操作的方法[8]；其次，由于缺乏相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前的民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)缺乏穩(wěn)定的反饋機(jī)制，同時(shí)針對(duì)觸控顯示屏的觸覺、視覺、聲音反饋對(duì)機(jī)組飛行績(jī)效的影響仍有待研究[2]；針對(duì)觸控交互方式的研究，文獻(xiàn)[9]提出了一種基于點(diǎn)擊和單點(diǎn)滑動(dòng)的手勢(shì)控制邏輯，并指出在復(fù)雜連續(xù)任務(wù)情景下，觸控操作要優(yōu)于物理按鍵操作，但在精度調(diào)節(jié)方面，觸控輸入準(zhǔn)確性與輸入效率仍有待提高；此外，駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)將顯示和控制功能整合至同一屏幕中，增強(qiáng)了它們之間的耦合性，這就要求觸控顯示屏具有更高的可靠性和安全性[10]；同時(shí)隨著觸控顯示屏的引入，增加了駕駛艙環(huán)境光的反射，導(dǎo)致機(jī)組視覺負(fù)荷激增，因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮眩光對(duì)機(jī)組飛行績(jī)效的影響[4]。從適航當(dāng)局的角度，民機(jī)駕駛艙觸控技術(shù)的引入應(yīng)確保與當(dāng)前駕駛艙操作同等的安全性水平，人為因素評(píng)價(jià)是新機(jī)型或新設(shè)備投入運(yùn)營(yíng)前，局方的硬性要求。在人為因素和適航安全性方面，美國(guó)聯(lián)邦航空局(Federal Aviation Administration, FAA)咨詢通告AC 20-175對(duì)基于觸控技術(shù)的控制裝置提出了設(shè)計(jì)、集成和安裝要求[11]，以及后續(xù)新增的人為因素專用條款FAR 25.1302，對(duì)以往的人為因素相關(guān)條款進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)AC 25.1302-1提出駕駛艙人為因素評(píng)估應(yīng)重點(diǎn)考慮預(yù)期功能和機(jī)組飛行任務(wù)、操縱器件、信息顯示、系統(tǒng)行為以及機(jī)組差錯(cuò)管理等方面[12]。到目前為止，A350 XWB與B777X已實(shí)現(xiàn)駕駛艙觸控技術(shù)的部分引入，在國(guó)內(nèi)民機(jī)型號(hào)研制中ARJ21-700和C919并沒有針對(duì)觸控技術(shù)人為因素相關(guān)條款進(jìn)行適航符合性驗(yàn)證，而在中俄聯(lián)合研制的CR929寬體客機(jī)為與國(guó)際先進(jìn)水平保持同步，將計(jì)劃引入駕駛艙觸控技術(shù)，增加觸控技術(shù)適航符合性的驗(yàn)證工作。國(guó)內(nèi)民機(jī)駕駛艙觸控技術(shù)相關(guān)研究處在起步階段，主要體現(xiàn)在民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)的觸控交互方式、系統(tǒng)反饋策略以及駕駛艙外部環(huán)境因素等。人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)的核心環(huán)節(jié)包括指標(biāo)體系的建立和指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型的建立，然而目前尚未形成針對(duì)民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)的人機(jī)工效評(píng)價(jià)體系與評(píng)價(jià)方法。因此，有必要進(jìn)行民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與評(píng)價(jià)方法的研究，為后續(xù)民機(jī)觸控駕駛艙適航符合性驗(yàn)證和審定方法的研究提供基礎(chǔ)。

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)作為一種多屬性決策結(jié)構(gòu)化技術(shù)，常結(jié)合模糊分析法(Fuzzy)廣泛用于資源配置、方案決策及人機(jī)工效評(píng)價(jià)等領(lǐng)域[13]。在多專家評(píng)判的情況下，傳統(tǒng)模糊層次綜合評(píng)價(jià)在數(shù)據(jù)集結(jié)過程中僅從指標(biāo)間相對(duì)重要度出發(fā)，并未考慮專家所給評(píng)價(jià)信息的可信程度，忽視了人的認(rèn)知灰色性，影響了綜合評(píng)價(jià)的客觀性[14]。

為解決上述問題，結(jié)合民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)所具有的灰色性、模糊性的特點(diǎn)，引入灰色關(guān)聯(lián)分析，從專家所給評(píng)價(jià)信息自身規(guī)律出發(fā)，構(gòu)建專家評(píng)判的信度系數(shù)，提出一種基于灰色關(guān)聯(lián)分析改進(jìn)的人機(jī)工效模糊綜合評(píng)價(jià)方法。結(jié)合民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)相關(guān)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，提出民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)模型，最后結(jié)合ACROSS研究項(xiàng)目下的民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效評(píng)價(jià)試驗(yàn)案例，驗(yàn)證了評(píng)價(jià)體系與評(píng)價(jià)方法的適用性和合理性。

1 民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效因素分析

顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效評(píng)價(jià)對(duì)駕駛艙顯控領(lǐng)域觸控技術(shù)的引入以及適航審定都具有極其重要的意義[15]。由于民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)具有復(fù)雜的顯示觸控特性，在空間布局、系統(tǒng)集成、人為因素及適航安全性等方面產(chǎn)生了一定的約束和限制，導(dǎo)致現(xiàn)有的人機(jī)工效評(píng)價(jià)方法難以對(duì)民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和影響因素進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

因此，本文首先梳理民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)相關(guān)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，從觸控顯示屏自身屬性、人機(jī)交互界面工效學(xué)要求、顯示觸控系統(tǒng)的集成以及系統(tǒng)外部環(huán)境影響4個(gè)維度分析觸控技術(shù)在民機(jī)駕駛艙中應(yīng)用需考慮的人機(jī)工效因素。并在此基礎(chǔ)上結(jié)合適航標(biāo)準(zhǔn)中要求的人為因素考察項(xiàng)[16]，提出顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效概念框架(如圖1所示)，以指導(dǎo)后續(xù)人機(jī)工效評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇。

圖1 民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效概念框架

1.1 民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)相關(guān)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

觸控技術(shù)作為駕駛艙顯控領(lǐng)域的一種新穎技術(shù)，目前在民機(jī)駕駛艙的顯示觸控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件最低性能以及駕駛艙觸控系統(tǒng)人為因素方面已有相關(guān)的行業(yè)規(guī)范或指導(dǎo)文件[7,17]?？梢詾轳{駛艙顯示觸控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供基本參考。本文對(duì)民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)相關(guān)的具體標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范進(jìn)行梳理。如表1所示。

表1 民機(jī)駕駛艙觸控顯示系統(tǒng)相關(guān)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

1.2 民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效因素

人機(jī)工效學(xué)以人機(jī)系統(tǒng)為研究對(duì)象，旨在建立科學(xué)合理的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)高效的信息交換與控制活動(dòng)[18]。這就要求人機(jī)界面的設(shè)計(jì)目標(biāo)要符合觸控顯示屏相關(guān)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。

觸控顯示屏的具體設(shè)計(jì)目標(biāo)是：優(yōu)化觸控顯示屏的頁面布局，使菜單結(jié)構(gòu)盡可能的淺顯；有效整合觸控顯示屏上系統(tǒng)控制和顯示功能；最小化飛行機(jī)組操作出錯(cuò)的可能性[19]。明確觸控顯示屏設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與目標(biāo)后，本文從觸控顯示屏自身屬性、人機(jī)交互界面工效學(xué)要求、顯示觸控系統(tǒng)的集成以及系統(tǒng)外部環(huán)境影響四個(gè)維度分析了觸控技術(shù)在民機(jī)駕駛艙中應(yīng)用需考慮的人機(jī)工效因素。

1) 觸控顯示屏屬性

觸控顯示屏的自身屬性主要包括觸控顯示屏輸入與顯示特性、觸控顯示屏技術(shù)(紅外、電阻和電容)、觸控顯示屏安裝布局、觸控區(qū)域大小和間距以及硬件與驅(qū)動(dòng)程序。SAE AS8034C[17]中要求的觸控顯示屏顯示特性包括：亮度、對(duì)比度、尺寸、色度、灰度、刷新率、屏幕抖動(dòng)、顯示響應(yīng)和反射率等。HF-STD-001B[20]針對(duì)觸控顯示屏的觸控區(qū)域大小、間距以及觸控顯示屏的安裝布局給出了詳細(xì)設(shè)計(jì)要求。

2) 人機(jī)交互界面工效學(xué)要求

人機(jī)交互界面工效學(xué)設(shè)計(jì)要求主要包括信息顯示、控制過程設(shè)計(jì)、反饋過程設(shè)計(jì)、觸控操作的可達(dá)性分析以及防誤觸與告警系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。根據(jù)SAE ARP60494[7]可知，人機(jī)交互界面的工效學(xué)設(shè)計(jì)直接影響飛行機(jī)組的交互效率與操作性能，主要體現(xiàn)在機(jī)組的工作負(fù)荷、人為差錯(cuò)、疲勞、情境意識(shí)等方面。

觸控顯示屏的信息顯示應(yīng)是易于閱讀和理解的，并符合系統(tǒng)預(yù)期功能，同時(shí)應(yīng)考慮到信息顯示界面的尺寸、顏色、布局的設(shè)計(jì)要求[21-23]。觸控顯示屏控制過程的設(shè)計(jì)要求包括：控制可達(dá)性，觸控操作的設(shè)計(jì)應(yīng)與飛機(jī)級(jí)駕駛艙控制設(shè)計(jì)理念保持一致，控制邏輯和運(yùn)動(dòng)保持一致，操作反饋，防誤觸操作，冗余設(shè)計(jì)等方面[11,22]。

3) 顯示觸控系統(tǒng)的集成

觸控顯示屏顯示系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的集成主要包括系統(tǒng)安裝與集成、功能測(cè)試、高強(qiáng)度輻射場(chǎng)與防雷、集成顯示布局、系統(tǒng)差錯(cuò)管理(錯(cuò)誤預(yù)防、恢復(fù)、管理)、系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)、系統(tǒng)安全可靠性、可測(cè)試性、可維護(hù)性等。系統(tǒng)集成及分析應(yīng)符合適航規(guī)章FAR 25.1309及咨詢通告AC 25.1309、AC 25-11B等規(guī)定。

4) 系統(tǒng)外部環(huán)境影響

觸控顯示屏的應(yīng)用應(yīng)考慮駕駛艙內(nèi)外環(huán)境對(duì)飛行機(jī)組的影響，尤其是振動(dòng)和眩光。嚴(yán)重的振動(dòng)(湍流)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的工作負(fù)荷激增。眩光會(huì)影響機(jī)組對(duì)顯示信息的視覺可讀性，導(dǎo)致決策或操作失誤。根據(jù)FAR 25.773的要求，駕駛艙內(nèi)不應(yīng)出現(xiàn)眩光和反光，以免影響最飛行小機(jī)組執(zhí)行正常任務(wù)的能力。同時(shí)觸控顯示屏應(yīng)滿足RTCA DO-160G[24]規(guī)定的環(huán)境條件和測(cè)試要求。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇

對(duì)民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效進(jìn)行評(píng)價(jià)，首先要根據(jù)觸控顯示屏相關(guān)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，從整體上分析觸控顯示屏物理屬性、人機(jī)交互界面工效學(xué)要求、系統(tǒng)集成要求以及外部環(huán)境影響。不同的設(shè)備放置方式(固定顯示或移動(dòng)顯示)對(duì)操作性能是否有影響，觸控顯示屏上的交互元素面積(觸控區(qū)域大小)對(duì)操作性能的影響，以及如何保證觸控顯示屏處于飛行機(jī)組的最佳觀察和操縱位置。所以需要從人機(jī)系統(tǒng)的角度出發(fā)，整體考慮分析觸控顯示屏的幾何位置是否合理。在顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)界面的影響因素中，信息顯示、控制過程和反饋過程等在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占有重要地位，其對(duì)飛行機(jī)組操縱的舒適程度起到?jīng)Q定性的影響。

本文結(jié)合觸控顯示屏相關(guān)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，對(duì)顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效評(píng)價(jià)問題包含的因素劃分為不同的層次。采用改進(jìn)的德爾菲法[33-34]完成民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選，通過問卷調(diào)查進(jìn)行專家咨詢，經(jīng)過反復(fù)咨詢和統(tǒng)計(jì)處理，最終建立了包含16個(gè)二級(jí)指標(biāo)的3層民機(jī)顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如表2所示。

表2 民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3 基于灰色關(guān)聯(lián)分析改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)原理

傳統(tǒng)的模糊層次綜合評(píng)價(jià)[35-36]僅從指標(biāo)間的相對(duì)重要度來進(jìn)行評(píng)價(jià)信息的數(shù)據(jù)集結(jié)，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，并未考慮評(píng)價(jià)過程中專家作用的大小，忽視了專家的認(rèn)知灰色性，進(jìn)而影響人機(jī)工效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的客觀性，真實(shí)性。其次，傳統(tǒng)模糊層次綜合評(píng)價(jià)通過構(gòu)造判斷矩陣確定指標(biāo)權(quán)重，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造的矩陣需進(jìn)行多次一致性檢驗(yàn)，導(dǎo)致操作過程耗時(shí)較多。

針對(duì)以上問題以及民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)所具有的灰色性、模糊性的特點(diǎn)，本文提出一種基于灰色關(guān)聯(lián)分析改進(jìn)的人機(jī)工效模糊綜合評(píng)價(jià)方法。對(duì)傳統(tǒng)模糊層次綜合評(píng)價(jià)算法從數(shù)據(jù)集結(jié)處理和權(quán)重確定兩方面進(jìn)行改進(jìn)。針對(duì)數(shù)據(jù)集結(jié)，引入指標(biāo)秩次，邀請(qǐng)專家對(duì)民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行排序，統(tǒng)計(jì)指標(biāo)秩次，構(gòu)造秩次矩陣；針對(duì)權(quán)重確定，充分考慮專家認(rèn)知的灰色性對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，通過灰色關(guān)聯(lián)分析構(gòu)造信度系數(shù)，輸出各指標(biāo)修正秩次，經(jīng)歸一化處理確定各指標(biāo)綜合權(quán)重，建立指標(biāo)隸屬函數(shù)，完成駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)。綜合評(píng)價(jià)流程如圖2所示。

圖2 基于灰色關(guān)聯(lián)分析改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)流程

4 民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)模型

民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建主要分為3個(gè)階段。首先在明確人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，通過多位專家主觀評(píng)價(jià)，對(duì)其重要度進(jìn)行排序，完成各組一致性檢驗(yàn)，構(gòu)造指標(biāo)秩次矩陣；第二，在平均秩次的基礎(chǔ)上，利用灰色關(guān)聯(lián)分析構(gòu)造信度系數(shù)，輸出修正秩次，并在此基礎(chǔ)上歸一化修正秩次，求得各項(xiàng)人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；最后，基于評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)和各指標(biāo)隸屬函數(shù)，通過模糊綜合評(píng)價(jià)得出駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

4.1 確定秩次矩陣

1) 專家對(duì)指標(biāo)進(jìn)行秩次排序

按照專家的評(píng)分，對(duì)民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效評(píng)價(jià)指標(biāo)按重要度由小到大編排秩次。設(shè)A={A1,A2,…,An}為評(píng)價(jià)指標(biāo)集，n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)；B={B1,B2…,Bm}為評(píng)價(jià)專家群體集，m為專家個(gè)數(shù)。專家Bk針對(duì)指標(biāo)Ai所給秩次為xki，i=1,2,…,n；k=1,2,…,m。

2) 指標(biāo)秩次一致性檢驗(yàn)

后續(xù)指標(biāo)秩次的修正建立在秩次序列滿足一致性的基礎(chǔ)上，專家所給秩次數(shù)據(jù)為多樣本相關(guān)數(shù)據(jù)，應(yīng)對(duì)專家給出的各組評(píng)價(jià)指標(biāo)秩次進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，可采用Kendall協(xié)調(diào)系數(shù)W檢驗(yàn)分析[37]，協(xié)調(diào)系數(shù)W越大表示專家意見協(xié)調(diào)程度越高。統(tǒng)計(jì)量協(xié)調(diào)系數(shù)W公式為

(1)

式中：m為專家個(gè)數(shù)；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)；Si為分配給第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)秩次的合計(jì)；tk為k專家給出的相同秩次個(gè)數(shù)。

協(xié)調(diào)系數(shù)的顯著性可用χ2檢驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn)。當(dāng)m和n較小時(shí)，可查Kendall協(xié)調(diào)系數(shù)W值表，當(dāng)n>7時(shí)，可應(yīng)用大樣本近似法計(jì)算卡方值，計(jì)算公式[38]為

(2)

3) 構(gòu)建秩次矩陣

m位專家參與民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)秩次分配，則秩次矩陣為

(3)

4.2 基于信度系數(shù)修正指標(biāo)秩次

1) 確定秩次參考序列

針對(duì)上述秩次矩陣，考慮到減少隨機(jī)因素的干擾，采用均值方法規(guī)范化秩次矩陣，即

(4)

(5)

為體現(xiàn)專家所給評(píng)價(jià)指標(biāo)秩次的離散程度，選取各評(píng)價(jià)指標(biāo)平均秩次作為參考序列X0：

X0=[x01,x02,…,x0n]

(6)

2) 灰色關(guān)聯(lián)分析

根據(jù)灰色系統(tǒng)理論，各個(gè)專家對(duì)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效各個(gè)指標(biāo)的排序秩次與參考值之間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ξki可表示為

ξki=

(7)

(8)

不同專家所給評(píng)價(jià)指標(biāo)秩次與平均秩次的關(guān)聯(lián)程度r0k如下，其數(shù)值越大表明該專家所給秩次越接近平均秩次。

(9)

3) 構(gòu)造信度系數(shù)

信度是專家所給評(píng)價(jià)指標(biāo)秩次的可信程度，信度系數(shù)是信度的定量表示[14]。專家所給評(píng)價(jià)指標(biāo)秩次與平均秩次的關(guān)聯(lián)度反映了專家的認(rèn)知一致性和評(píng)價(jià)秩次的離散程度，故可由關(guān)聯(lián)度反映專家所給評(píng)價(jià)秩次的可信程度，則專家Bk的信度系數(shù)δk為

(10)

由上可得信度系數(shù)即為認(rèn)知特性的定量表示，由m位專家的信度系數(shù)構(gòu)成的信度矩陣為

d=[δ1,δ2,…,δm]

(11)

4) 輸出修正秩次

從評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)自身的規(guī)律出發(fā)，充分考慮專家在評(píng)價(jià)過程中的認(rèn)知灰色性，利用信度系數(shù)修正秩次矩陣X，實(shí)現(xiàn)專家認(rèn)知特性的定量化描述。

J=d×X

(12)

綜上可得各指標(biāo)的修正秩次矩陣即為J=[j1,j2,…,jn]。

5) 確定指標(biāo)綜合權(quán)重

在得到修正秩次J基礎(chǔ)上，經(jīng)歸一化處理：

(13)

所得向量W=[w1,w2,…wn]即為駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效各評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重系數(shù)。

4.3 模糊綜合評(píng)價(jià)

1) 評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬函數(shù)的建立

① 極大型無界指標(biāo)

(14)

② 極小型無界指標(biāo)

(15)

③ 極小型有界指標(biāo)

(16)

④ 定性指標(biāo)，評(píng)分控制正態(tài)分布

(17)

式中：xmax和xmin分別為無界指標(biāo)集中所對(duì)應(yīng)的最大和最小指標(biāo)值；a和b分別為x取值范圍的上下界；σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

2) 模糊評(píng)價(jià)矩陣與模糊算子

由隸屬函數(shù)計(jì)算得到模糊評(píng)價(jià)矩陣R后，結(jié)合人機(jī)工效評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)向量W，根據(jù)實(shí)際情況，為兼顧整體評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)信息，采用加權(quán)平均型算子，利用矩陣模糊復(fù)合運(yùn)算可得到模糊綜合評(píng)價(jià)向量：

R=[r1,r2,…,rp]

(18)

(19)

R1=W2×R2

(20)

式中：p為對(duì)比研究方案?jìng)€(gè)數(shù)，通過判斷向量R中數(shù)值的大小即可進(jìn)行樣本間的比較。數(shù)值越大的表明人機(jī)工效越優(yōu)。由于“機(jī)組認(rèn)知過程”、“機(jī)組工作負(fù)荷”和“機(jī)組飛行績(jī)效”相對(duì)其他評(píng)價(jià)要素有更細(xì)分的底層指標(biāo)，因此，在進(jìn)行模糊綜合評(píng)判中，要多一級(jí)綜合評(píng)判步驟。

5 實(shí)例分析

為驗(yàn)證基于灰色關(guān)聯(lián)分析改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)方法的有效性和可行性，結(jié)合ACROSS研究項(xiàng)目下的民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效評(píng)價(jià)試驗(yàn)案例，設(shè)置觸控區(qū)域、湍流強(qiáng)度(振動(dòng))以及觸控技術(shù)3種評(píng)價(jià)要素不同的配置方式(如表3所示)，依托半物理觸控駕駛艙模擬操縱平臺(tái)，飛行機(jī)組按照標(biāo)準(zhǔn)儀表離場(chǎng)程序駕駛飛機(jī)起飛并爬升到巡航高度，期間數(shù)據(jù)輸入任務(wù)要求通過觸控交互方式完成航路點(diǎn)選擇，結(jié)合本文所提指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法完成民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)實(shí)例分析。最后與傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，判斷哪組配置相對(duì)合理，并給出顯示觸控系統(tǒng)的人機(jī)工效優(yōu)化策略。根據(jù)ACROSS項(xiàng)目下的民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效評(píng)價(jià)試驗(yàn)案例[3-5]，給出如下參數(shù)設(shè)計(jì)與配置方式：

表3 各方案評(píng)價(jià)要素的配置方式

1) 觸控區(qū)域：9 mm(小)、15 mm(大)。

2) 觸控技術(shù)：電阻屏、電容屏。

3) 湍流強(qiáng)度：無、中等強(qiáng)度。

5.1 確定秩次矩陣

1) 專家對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)秩次排序

成立專家咨詢小組，9位專家對(duì)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行排序，16個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的平均秩次如表4所示。由參考文獻(xiàn)[13]可知，專家排序進(jìn)行4～5次即可，完成排序后，即可進(jìn)行Kendall協(xié)調(diào)系數(shù)W一致性檢驗(yàn)。

表4 人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)平均秩次

表5 評(píng)價(jià)指標(biāo)平均秩次一致性檢驗(yàn)

2) 構(gòu)建秩次矩陣

由式(3)得，9位專家參與民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效4個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)集秩次分配，則秩次矩陣為

5.2 基于信度系數(shù)修正指標(biāo)秩次

1) 確定秩次參考序列

針對(duì)矩陣XO1，由式(4)進(jìn)行規(guī)范化處理得矩陣YO1：

由式(6)可得秩次參考序列：

X0=[3.56,1.11,2.11,3.22]

2) 灰色關(guān)聯(lián)分析

由式(7)和式(8)可得O1觸控顯示屏屬性指標(biāo)集秩次矩陣的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣為

由式(9)可得，9位專家所給指標(biāo)集秩次與參考秩次的關(guān)聯(lián)度如表6所示。

表6 民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)集秩次關(guān)聯(lián)度

3) 構(gòu)造信度系數(shù)

由式(10)和式(11)可得，9位專家針對(duì)O1觸控顯示屏屬性指標(biāo)集的信度系數(shù)矩陣為

dO1=[0.125 9,0.097 8,0.080 4,0.115 5,0.097 8,0.125 9,0.115 5,0.115 5,0.125 9]

針對(duì)O2人機(jī)交互界面工效學(xué)要求，O3系統(tǒng)集成，O4系統(tǒng)外部環(huán)境指標(biāo)集的信度系數(shù)矩陣同理可得

dO2=[0.125 2,0.112 2,0.091 6,0.110 4,

0.072 6,0.125 2,0.112 2,0.125 2,0.125 2]

dO3=[0.126 9,0.100 5,0.126 9,0.096 0,

0.102 6,0.100 5,0.102 6,0.126 9,0.117 1]

dO4=[0.117 9,0.082 7,0.117 9,0.117 9,

0.117 9,0.082 7,0.117 9,0.117 9,0.117 9]

4) 輸出修正秩次

利用信度系數(shù)d對(duì)秩次矩陣X進(jìn)行修正，由式(12)可得各指標(biāo)集修正秩次為

JO1=[3.573 1,1.080 4,2.115 1,3.231 4]

JO2=[3.949 8,4.702 9,3.161 4,2.019 0,

1.072 6]

JO3=[2.222 2,1.096 0,3.004 1,3.794 9]

JO4=[2.825 5,2.174 5,1.000 0]

5) 確定指標(biāo)綜合權(quán)重系數(shù)

由式(13)對(duì)修正秩次歸一化處理即為指標(biāo)層對(duì)應(yīng)的二級(jí)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)：

“機(jī)組認(rèn)知過程”、“工作負(fù)荷”和“飛行績(jī)效”等相對(duì)其他評(píng)價(jià)指標(biāo)有一級(jí)更細(xì)分的指標(biāo)值，同理計(jì)算出三級(jí)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)：

5.3 顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效模糊綜合評(píng)價(jià)

在獲得各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合隸屬度評(píng)價(jià)矩陣進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。針對(duì)評(píng)價(jià)過程中客觀定量數(shù)據(jù)，參考ACROSS項(xiàng)目下的民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效評(píng)價(jià)試驗(yàn)案例[3-5]，結(jié)合觸控區(qū)域、湍流強(qiáng)度以及觸控技術(shù)3種評(píng)價(jià)要素不同的8種配置方式，設(shè)計(jì)飛行員任務(wù)負(fù)荷生理評(píng)價(jià)指標(biāo)試驗(yàn)方案，在半物理觸控駕駛艙模擬操縱平臺(tái)環(huán)境下，以眼動(dòng)儀、生理測(cè)量胸帶等多通道生理測(cè)量系統(tǒng)采集飛行員操作過程中的心電、眼動(dòng)等生理特征參數(shù)，主要包括注視觸控顯示屏?xí)r間、眨眼頻率、掃視頻率、心率、呼吸幅度等，并做均值處理。針對(duì)定性指標(biāo)，采用專家評(píng)價(jià)法，邀請(qǐng)9位專家進(jìn)行百分制打分。數(shù)據(jù)均值處理，具體數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)三級(jí)指標(biāo)數(shù)據(jù)

本文以O(shè)2人機(jī)交互界面工效學(xué)要求指標(biāo)層為例，在表7駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)三級(jí)指標(biāo)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合4種評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬函數(shù)式(14)～式(17)分別計(jì)算，給出評(píng)價(jià)矩陣R3。同時(shí)結(jié)合式(19)和式(20)，對(duì)人機(jī)交互界面工效學(xué)要求二級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣進(jìn)行單因素評(píng)價(jià)，計(jì)算可得二級(jí)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，所得數(shù)值統(tǒng)計(jì)到表8中。

基于表8的數(shù)據(jù)，選擇式(14)極大無界型指標(biāo)隸屬函數(shù)，對(duì)O2人機(jī)交互界面工效學(xué)要求各二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行單因素評(píng)價(jià)形成二級(jí)綜合評(píng)價(jià)矩陣。

表8 O2人機(jī)交互界面工效學(xué)要求二級(jí)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

由式(20)R1=W2×R2可得駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)O2人機(jī)交互界面工效學(xué)要求一級(jí)評(píng)價(jià)向量：

0,0.845 8,0.520 4]

針對(duì)O1觸控顯示屏屬性，O3系統(tǒng)集成，O4系統(tǒng)外部環(huán)境同理可得

0.405 5,0.141 1,0.847 8,0.554 7]

0.424 8,0.222 1,0.800 4,0.501 7]

0.397 3,0.301 1,0.812 5,0.421 4]

由于O1觸控顯示屏屬性，O2人機(jī)交互界面工效學(xué)要求，O3系統(tǒng)集成，O4系統(tǒng)外部環(huán)境四個(gè)方面重要性相當(dāng)，故權(quán)重皆取為1，并采用加權(quán)平均合成算子，故可得駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)向量：

R=[2.847 8,1.182 8,3.844 1,2.023,1.533 9,

0.664 3,3.306 5,1.998 2]

基于灰色關(guān)聯(lián)分析改進(jìn)的算法與常規(guī)模糊層次綜合評(píng)價(jià)值對(duì)比如圖3所示。

圖3 改進(jìn)算法與常規(guī)算法人機(jī)工效評(píng)價(jià)值對(duì)比圖

由圖3可得，在2種算法計(jì)算結(jié)果下，8組配置方式中，均為第3組的人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)結(jié)果相對(duì)最優(yōu)。常規(guī)模糊層次綜合計(jì)算結(jié)果中的1組、3組以及7組的人機(jī)工效評(píng)價(jià)值較為接近，與之相比改進(jìn)算法的計(jì)算結(jié)果更能突出顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效最優(yōu)的配置方式，即第3組配置方式下人機(jī)工效評(píng)價(jià)值更為突出。同時(shí)，由圖4和圖5可知，相同配置方式下，不同的觸控屏技術(shù)和觸控區(qū)域，通過改進(jìn)算法所得人機(jī)工效評(píng)價(jià)值的差值要明顯大于常規(guī)算法所得差值，可見在指標(biāo)權(quán)重確定過程中，引入灰色關(guān)聯(lián)分析，利用信度系數(shù)修正指標(biāo)秩次，更易區(qū)分民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效最優(yōu)的配置方式。

圖4 相同配置下電阻屏與電容屏評(píng)價(jià)值對(duì)比

圖5 相同配置下觸控區(qū)域評(píng)價(jià)值對(duì)比

由圖4數(shù)據(jù)可知，在其他變量相同的情況下，電阻屏配置方案的人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)要優(yōu)于電容屏配置方案，這是由于在中度湍流的環(huán)境中，電阻屏特有的需應(yīng)力激活特性，使其具有良好的防誤觸性。由圖5數(shù)據(jù)可知，判斷向量中大觸控區(qū)域的配置方案的人機(jī)工效評(píng)價(jià)也要優(yōu)于較小觸控區(qū)域方案，即在相同的任務(wù)情境下(特別是存在湍流的情況)，飛行機(jī)組在觸控區(qū)域較小的觸控顯示屏上輸入數(shù)據(jù)的耗時(shí)與錯(cuò)誤率明顯高于大觸控區(qū)域配置方案。相關(guān)試驗(yàn)案例證明，大觸控區(qū)域，防誤觸性能更好的電阻屏配置方式，更符合人機(jī)工效學(xué)原理，在低誤操率的情況下，使飛行機(jī)組操作更加舒適，降低飛行機(jī)組負(fù)荷，提高飛行績(jī)效。

6 結(jié)論

1) 分析梳理了觸控顯示屏相關(guān)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，從觸控顯示屏屬性、人機(jī)交互界面工效學(xué)要求、系統(tǒng)集成以及系統(tǒng)外部環(huán)境影響四個(gè)方面分析了觸控技術(shù)在民機(jī)駕駛艙中應(yīng)用需考慮的人機(jī)工效因素，結(jié)合適航規(guī)章中要求的人為因素考察項(xiàng)，提出了顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效概念框架，并在此基礎(chǔ)上提出了駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2) 提出了一種基于灰色關(guān)聯(lián)分析改進(jìn)的人機(jī)工效模糊綜合評(píng)價(jià)方法。結(jié)合民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將專家評(píng)價(jià)主觀數(shù)據(jù)與駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效評(píng)價(jià)指標(biāo)客觀數(shù)據(jù)相結(jié)合，完成了民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效綜合評(píng)價(jià)案例分析。分析了駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效配置策略，驗(yàn)證了評(píng)價(jià)體系與改進(jìn)算法的適用性和合理性，可以對(duì)駕駛艙顯控領(lǐng)域觸控技術(shù)的引入以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

3) 提出的民機(jī)駕駛艙顯示觸控系統(tǒng)人機(jī)工效綜合方法并未涉及到評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)問題，后續(xù)研究將在指標(biāo)篩選過程中引入指標(biāo)相關(guān)性分析，主要包括聚類分析或數(shù)理統(tǒng)計(jì)類等方法，但需要大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，相關(guān)算法仍需優(yōu)化，以解決評(píng)價(jià)指標(biāo)間信息重疊問題。